淺談光刻與邊緣曝光系統對電鍍的作用

摘 要：微電子領域應用的先進封裝技術包括凸點互連技術、再布線、倒裝片、3D堆疊等，而光刻與電鍍工藝流程是先進封裝技術中的重要環節。光刻工藝是運用光學、化學反應等原理將圖形傳遞到單晶表面或介質層上。電鍍工藝運用電化學反應，在金屬介質層上鍍出所需金屬，構成金屬導線。光刻作為電鍍的前置基礎，起到了承上啟下的作用。現從光刻與邊緣曝光系統出發對電鍍工藝進行探討，分析了光刻膠分辨率模型表達式和電鍍工藝的公式模型以及邊緣曝光系統對后續電鍍的作用，同時對光刻工藝分辨率和電鍍效率增強技術進行了調研。

關鍵詞：先進封裝;光刻;邊緣曝光;電鍍

0? ? 引言

先進封裝技術的重要工藝流程包括涂膠—曝光—顯影—烘烤—電鍍—去膠—清洗，即先在硅片上涂覆一層光刻膠，光刻膠經過曝光發生化學反應，然后通過顯影將所需要的細微圖形從掩模版轉移至硅片上，最后實施電鍍等工藝。隨著電子產品向輕、薄、小及功能多樣化方向發展，未來半導體封裝技術對光刻膠線寬、電鍍金屬導電率、可靠性等要求會越來越高。

1? ? 工藝流程與模型表達式

1.1? ? 工藝流程介紹

在涂膠—曝光—顯影—硬烘—電鍍—去膠—清洗的封裝工藝流程中，每一步都有其關鍵參數和作用。涂膠：涂膠的厚度和均一性與膠的粘度和轉速息息相關。曝光：分正性和負性光刻膠，正性光刻膠感光部分可溶，負性不感光部分可溶。能量、焦面為曝光重要參數，不同的膠厚，所需要的曝光劑量不同。顯影：將曝光區域的光刻膠進行溶解，常用有機溶劑TMAH2.38%，濃度和時間為關鍵參數。顯影時間過長，會導致膠過顯，反之，顯影不足。硬烘：有去除水分和堅硬膜的效果。電鍍：以預鍍金屬為陽極，硅片為陰極，在酸性溶液中進行氧化還原反應，電流密度、電鍍時間為電鍍重要參數。硅片邊緣需要留出金屬層，使其接觸電鍍引腳才能形成導通電路。去膠：使用丙酮對光刻膠進行去除，然后通過異丙醇清洗，使其無殘留。

晶圓邊緣曝光：晶圓邊緣多余的光刻膠可以通過曝光的辦法來清除，稱為邊緣曝光系統（wafer edge exposure，WEE），可替代傳統的EBR（去膠劑）噴射晶圓邊緣進行洗邊處理。在涂膠和烘烤完成后，晶圓被傳送到邊緣曝光單元，邊緣曝光系統是光刻機的一部分，邊緣部分被曝光，將使光刻膠里的感光劑、光酸劑發生化學反應。顯影后，邊緣曝光的光刻膠與曝光圖形就同時溶解在顯影液里，所需圖形即呈現出來。

圖1是邊緣曝光系統結構示意圖。機械手臂把晶圓傳送到可旋轉的對位臺上，通過真空吸附晶圓。晶圓通過對位臺旋轉，傳感器測定邊緣晶圓的缺口（notch）作為起始位置。曝光光源來自高壓汞燈，通過光纖把光線傳輸到晶圓邊緣，光纖輸出的光通過一個物鏡聚焦成光斑照射在晶圓邊緣。晶圓旋轉，實現邊緣曝光（注：邊緣不可涂抗反射涂層，它不是光敏感）。光纖裝置可沿X/Y方向導軌移動，這樣就可調節邊緣曝光的距離大小，其技術指標有曝光精度、曝光劑量、曝光寬度、曝光角度等。

電鍍（ECP）：利用電解原理在金屬表面上鍍上一層其他的金屬或者合金的過程。在電流通過時，有金屬沉積在陰極表面，其本質是氧化還原反應。電鍍所需5個必要條件分別是直流電源、鍍槽體、預鍍金屬離子的藥液、金屬陽極和硅片陰極、導電棒，把5個條件有序聯通起來構成電鍍電路。圖2是曝光區和WEE示意圖。使用邊緣曝光，再經過顯影，把晶圓邊緣的金屬層顯現出來，通過電鍍引腳連接邊緣一圈，使其形成有效的導電電路，電流分布更均勻。而邊緣未曝光的光刻膠部分也必須使用絕緣項圈進行密封，才能阻擋電鍍液漏到邊緣金屬層造成側鍍，或者漏到電鍍引腳上造成電流擊穿等不良影響。圖3是電鍍引腳與密封項圈示意圖。電鍍引腳的長度決定了WEE曝光的寬度。曝光寬度太大會導致絕緣項圈密封不到，產生側鍍;曝光寬度太小會導致電鍍引腳壓到光刻膠上，產生斷路。所以，WEE曝光寬度應介于密封項圈與電鍍引腳之間，其對電鍍起到了關鍵作用。

1.2? ? 光刻模型與電鍍模型的表達式

光刻工藝流程對光刻膠的影響主要為化學變化，通過改變光刻膠內化學成分來表達成像效果，最終以線寬大小（CD）來表征。電鍍則是在開口槽的地方鍍金屬，電鍍的厚度，取決于電量的多少。所以簡單的曝光公式和電鍍公式無法有效描述光刻膠內化學變化和電鍍覆膜的變化，建立一套完整的、基于化學和電化學變化的曝光工藝表達式和電鍍表達式才能有效地為工藝開發提供建議。

曝光模型：通過曝光能量來改變光刻膠內感光劑（PAC）的濃度，其公式可以描述成光刻膠內光強（I）—光刻膠感光劑（PAC）濃度（m）。

模型表達式：

PAC+hv=P+others

m/dose=-C×I×m

光刻膠分辨率極限表達式：

CD=（dose/hv×d）×EL×LWR（a3/2/p）

式中：dose為曝光能量;hv為光能量（普朗克常數）;d為膠厚;EL為能量寬裕度;LWR為線寬粗糙度;a為光酸等效擴散長度;p為空間周期。

電鍍模型：電鍍的重要定律是法拉第定律，當一種金屬發生電解反應沉積或溶解時，電解涉及的反應物量與通過的電量成正比。法拉第定律描述了這種關系：

（1）電解時金屬沉積或溶解的量與電量成正比;

（2）通過相同電量析出的金屬質量，與其電化學摩爾質量成正比。

用公式計算，電鍍厚度與電流密度、時間、電解涉及的反應物量與通過的電流效率等因素有直接關系。電流密度越大，時間越長，則電鍍高度即厚度越厚，它們之間成正比關系。

模型表達式：

C=Qt=Ist

σ=KItn

m=ρv

式中：σ為電鍍厚度（μm）;K為厚度系數（cm3/Ah）;I為電流密度（A/dm2）;t為時間（h）;n為電流效率（%）;m為質量;ρ為密度;v為體積;s為接觸面積。

厚度系數K是預鍍金屬的電化當量除以金屬密度，n通常設定為1（即100%），如銅的計算公式為：σ=0.222It。

基于曝光模型與電鍍模型表達式，在既定情況下，給出表達式中的定量，即可推導出實驗數據。這樣既可作為實驗前安排的依據，又可用于后續實驗數據的對比分析。如模型表達式得出的數據與實驗數據相差較大，則反映出實驗過程中存在一定的錯誤率。

2? ? 光刻膠開口大小與電鍍厚度的關系

2.1? ? 光刻膠開口大小

在先進封裝工藝流程中，光刻膠的開口大小直接影響后續電鍍金屬的直徑與高度。預先選定一款光刻膠，在光刻膠上曝光出圓孔開口，再改變其CD（開口大小），也就是其圓孔直徑，計算出在不同圓孔開口大小情況下的電鍍高度。根據曝光模型表達式，選定一款正性光刻膠，型號：JSR THB-151N，涂覆光刻膠20 μm。設定光能量（普朗克常數）hv、光酸等效擴散長度a、空間周期p、能量寬裕度EL、線寬粗糙度LWR為定量不變，dose作為變量，則dose越大CD越大，反之越小。

2.2? ? 電鍍金屬厚度

電鍍是在光刻膠開口處通過氧化還原反應慢慢沉積出金屬，形成圓柱型金屬體。體積=πR2h，金屬圓柱體體積越大，質量就越大，所需要的金屬離子的電量就越大。在相同的電量下，根據模型公式即可推導出電鍍厚度與接觸孔大小（CD）的平方成反比關系：（CD1）2×h1=（CD2）2×h2。需要注意的是，電鍍的厚度不能大于光刻膠的覆膜厚度，如超出光刻膠膜厚，則電鍍金屬的形貌會發生變化。

2.3? ? 光刻膠開口與電鍍金屬厚度的計算

根據上述模型公式推導，選定正性光刻膠JSR-151N，覆膜厚度20 μm，在設定的曝光能量下，其余因子假定為1，根據光刻分辨率表達式可得光刻膠開口大小（CD）。再根據CD，在相同電量和時間情況下，使用電鍍模型表達式即可得出電鍍的厚度，不需要經過反復實驗、切片再得出結論，減少了不必要的人力和物力消耗。在相同電量的情況下，僅改變曝光能量，即可得出CD的差異和電鍍高度的差異。表1為使用光刻膠極限分辨率表達式和電鍍表達式后得出的數據分析。

綜合上述數據推導分析，光刻膠的開口大小與電鍍厚度成反比關系，在大量不同CD的情況下，能體現此方法的優勢。此方法不僅有益于選擇光刻膠，也適用于電鍍方面的分析。

3? ? 光刻工藝分辨率和電鍍效率增強技術的調研

光刻成像的最小分辨率滿足以下公式：

CD=K1×λ/NA

式中：K1為工藝因子;λ為波長;NA為數值孔徑。

通過公式轉換，可以得出以下關系：

K1=CD×NA/λ

對于不同膜厚膠，可以通過增加NA（可以通過調節物鏡曲率等來提高，也可以使用浸沒式光刻機）來提高最小分辨率CD。通常在K1<1的情況下，使用分辨率增強技術（例如OPC技術），可以達到優化成像效果的作用。

在半導體方向電鍍時間計算公式可簡化成：

t=σ/K×D

不同金屬體系對應不同系數K，所以在K一定、厚度σ不變的情況下，可通過增大電流密度D（單位面積內加大電流）來減少時間t。通常在酸性電鍍體系中，加速沉積化學反應就是提高效率，可通過加大反應液流量、陰極處轉速等方法來提高電鍍效率。

4? ? 結語

回顧近幾年來電子信息領域新興技術和新興產業發展的歷史，可以得出一個共同的結論：集成電路是當代電子信息技術的核心和基礎。本文僅從光刻與邊緣曝光系統出發對電鍍工藝進行了粗淺的討論研究，分析了光刻膠分辨率模型表達式和電鍍工藝的公式模型以及邊緣曝光系統對后續電鍍的作用，同時對光刻工藝分辨率和電鍍效率增強技術進行了調研。

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收稿日期：2021-02-02

作者簡介：張良波（1989—），男，江蘇鹽城人，光刻工藝開發工程師，研究方向：光刻工藝開發。